综掘工作面卸压槽防突措施试验研究

通过对卸压槽防突机理的系统分析 ,研制了直接利用掘进机自身动力驱动和控制开挖连续卸压槽装置 ,进行了水平槽、两帮竖槽开挖工艺试验 ,成功地开挖出连续卸压槽 ,对卸压槽的瓦斯排放效果、有效排放半径进行了考察。试验结果表明 ,卸压槽有效地消除了激发突出的应力 ,排放了煤体中的瓦斯 ,增大了煤体抑制突出的阻力 ,很好地起到了综合防突的作用。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。     

考虑水力耦合作用的降雨诱发土质滑坡过程数值模拟研究

为探究水力耦合作用对降雨诱发土质滑坡过程的影响机理,从边坡失稳和滑坡运动2个方面进行综合分析。结合Richards模型和无限边坡模型描述降雨入渗条件下土质边坡含水率、基质吸力及稳定安全系数演化,采用Iverson-George模型描述土质滑坡运动过程中内部孔压、速度及厚度演化,通过模拟土体非饱和入渗实验及深圳光明新区滑坡验证了模型的适用性;以含水率为衔接因子将降雨诱发土质边坡渐进失稳到滑坡运动相耦合,搭建可考虑水力耦合作用下降雨诱发土质滑坡全过程的数值模拟流程。结果表明：同一初始条件下,土体渗透系数越小,滑坡运动能力越强,土体趋于饱和时含水率越大,滑坡运动能力越强,相比于渗透系数而言土体含水率对滑坡运动影响程度较大。为描述水力耦合作用下降雨诱发土质滑坡过程提供了一种定量化的数值方法。     

高温矿井掘进工作面冰块降温数值模拟研究*

为确定冰块在矿井高温掘进工作面降温中的设计参数,以大红山铜矿西矿段高温掘进工作面为对象,开展通风降温和冰块降温下掘进工作面温度场变化的数值模拟,分析冰块量、摆放方式对掘进巷道工作面附近温度场的影响。结果表明:与只采用通风降温方案相比,增加冰块的降温方案降温效果明显;当冰块摆放方式相同时,冰块量越多,有效制冷时间越长,但增加到一定程度时有效制冷时间基本不变;冰块摆放方式对降温效果有显著影响,在相同的冰块量及同一水平摆放方式下,冰块摆放高度与风筒齐平时的降温效果最佳;当冰块量及垂直摆放方式相同时,距掘进工作面越远,掘进工作面附近温度场温度的分布越均匀,制冷空间越大。     

强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术研究

为了研究强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术,安全、顺利地揭煤,基于海孜矿Ⅱ32主运石门地质条件和瓦斯赋存状况,对近距离煤层群9+8煤层实施密集预抽钻孔抽采瓦斯与低压水力冲孔卸压增透相结合的措施,防治煤与瓦斯突出。结果表明:低压水力冲孔冲煤率达到4.5%;冲孔后瓦斯抽采流量为未冲孔的10倍以上;整体瓦斯抽采率达到71.7%,比以前提高了约1.6倍,卸压增透效果明显。预抽钻孔抽采后,9煤、8煤的残余瓦斯压力,分别为0.3MPa、0.22MPa,残余瓦斯含量分别为5.23m3/t、5.13m3/t,防突效果显著,可安全、顺利地揭开9+8煤层。     

喷浆支护掘进工作面通风热环境数值模拟

为准确分析矿山掘进工作面喷浆支护后的热环境,采用工程实测和数值模拟的方法对喷浆支护掘进工作面热环境进行研究.在分析混凝土水化放热原理、喷浆支护掘进工作面热交换原理和标准κ ε湍流模型的基础上,结合矿山工程实例,利用ICEM CFD和Fluent软件建立喷浆支护掘进工作面模型,模型中通过对支护体设置热源形式实现混凝土水化放热的模拟.制定方案进行掘进工作面温度实测和数值模拟,通过实测数据验证了数值模拟的准确性.分析数值模拟喷浆支护掘进工作面温度场和速度场的分布规律,得出断面温度随混凝土龄期呈多项式函数规律变化,可为矿山掘进工作面热害控制提供参考.     

深部大跨度硐室顶部卸压应力控制机理及数值模拟研究

深部大跨度硐室在高应力下常出现明显的围岩变形破坏,严重的会影响矿井的正常生产甚至引发事故。以新庄煤矿机头硐室受围压破坏变形为工程背景,分析机头硐室巷变形破坏的地质因素,提出采用顶部卸压法进行硐室维护的方案,并模拟卸压前后围岩应力及变形的变化。数值模拟结果表明顶部卸压后,硐室围岩应力重新分布,围岩应力下降和向深部转移;硐室顶底板围岩铅垂应力及两帮水平应力均减小,顶板围岩铅垂应力平均减少61.5%,底板浅部0-2 m区间内围岩铅垂应力接近0,水平应力平均减小75.4%。从模拟结果看,顶部卸压实施后有利于机头硐室的长期稳定。     

司马矿薄基岩区顶板突水危险性数值模拟研究

为了研究司马矿薄基岩厚松散层特殊地质条件下的采动覆岩破坏、渗流等特性,评价发生顶板突水的危险性,建立了薄基岩厚松散层开采条件下的数值计算模型。采用理论分析、数值模拟和现场工程相结合的方法,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了随工作面推进采场的变形、破坏、渗流和应力变化规律。结果表明:在司马矿薄基岩厚松散层这一特定的地质条件下,工作面涌水量、顶板破坏高度均随工作面推进不断增加并最终趋于稳定,当工作面推进到200 m时,顶板破坏高度约为80 m,工作面涌水量约为33 m3/min,与实测数据基本吻合;随着开采的进行,在采空区后方煤层的支承压力峰值位置几乎不变,在工作面前方形成的支承压力峰值极值点位置不断前移,应力集中系数约为2.0;在司马矿薄基岩区,在煤层采厚为5 m、基岩厚度为40 m的条件下,若顶板黏土层厚度大于40 m,将不会发生顶板突水。     

穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透防突技术试验研究

针对突出煤层巷道掘进中瓦斯治理难题,打通一矿采用了穿层钻孔水力压裂增透防突技术。基于弹性理论和拉应力破坏准则,建立了穿层钻孔煤巷条带水力压裂起裂压力计算模型;在W2706S回风巷的底板瓦斯抽采巷中进行了压裂试验,考察了压裂前后瓦斯抽采效果。现场试验结果表明,压裂后掘进巷道瓦斯抽采量呈现先快速增加、后缓慢上升并保持稳定的变化规律;压裂后穿层钻孔单孔瓦斯抽采量、瓦斯抽采浓度分别是压裂前的1.24～5.61,1.4～2.27倍,W2706S回风巷平均每月的掘进速度增加了34.1%;掘进期间未出现超标现象,穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透消突效果显著。     

急倾斜煤层石门揭煤突出机理数值模拟研究

与其他类型的突出相比,石门揭煤的突出危险性最为严重,对它的突出机理进行研究有助于提高防突工作水平。根据马家沟矿石门揭煤突出后遗留的孔洞形状,采用数值模拟软件对突出过程进行反演分析;再现了马家沟矿石门揭煤突出发生的地质条件及发展过程。结果显示,急倾斜煤层石门揭煤突出过程中,煤体自重应力的作用比较明显;突出发生后,地应力梯度和瓦斯压力梯度均下降,卸压区宽度增大。因此,对于急倾斜煤层石门揭煤,一方面,要采取瓦斯抽放等措施,降低工作面前方煤体的应力和瓦斯压力;另一方面,要采用金属骨架对其上方煤体进行支护,防止该煤体垮落诱导突出。     

旋流燃烧器燃用低热值气体燃料的三维数值模拟分析

本文借助CFD技术对低热值气体在旋流燃烧器内的燃烧过程进行数值模拟。通过改变旋流燃烧器的导流叶片安装角度、燃料-空气预热温度、过量空气系数等参数,对热值为4.2 MJ/m3的低热值气体的多个冷热态工况进行数值计算,研究燃烧器结构参数及着火条件对燃烧过程的影响。本文为低热值气体燃料的利用以及相关燃烧器具的开发提供了参考依据。     

预抽煤层瓦斯区域防突效果检验指标临界值研究

瓦斯突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的关键环节,瓦斯突出预测指标的临界值是决定区域防突是否达标的重要参数。为了确定寺河矿西井区3号煤层的区域预抽后煤层瓦斯防突效果评价指标体系,以瓦斯突出综合作用假说为基础,通过现场采取原始煤样,并在密封煤样罐内达到吸附平衡,测定残余瓦斯含量和残余瓦斯压力的关系,研究了原煤瓦斯含量与瓦斯压力的关系及原煤中水分的对其影响规律,提出始突瓦斯压力对应的瓦斯含量作为评价指标的临界值为10 m3/t,并通过现场跟踪考察对得出的瓦斯含量临界值的可靠性进行了现场验证,结果表明,10 m3/t作为区域防突效果评价的临界指标是可靠的。     

煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展

为了深入研究煤层注水的防突机理,在对国内外煤层注水防治煤与瓦斯突出机理研究的基础上,综述煤层注水影响煤体力学性质、采场应力分布及煤体瓦斯解吸特性3方面的研究现状;进而分析我国在煤层注水防突机理研究方面存在的问题,提出当前应急需解决注水对煤体瓦斯的抑制解吸效应问题。笔者认为:确定抑制解吸效应考察、煤体孔隙特性变化及注水煤样吸附解吸甲烷特性等课题的研究是深入探讨的方向,研究成果为进一步认识煤层注水的防突机理提供理论依据。     

基于力电耦合冲击矿压电磁辐射预测法的研究

笔者首先提出了煤岩变形破裂过程电磁辐射与应力耦合的概念 ,然后在实验研究、理论分析和数值模拟的基础上从力电耦合的角度研究了煤岩冲击矿压预测的电磁辐射法 (EME)。研究结果表明 :FLAC3D方法能对矿山巷道掘进过程煤岩内部应力场进行有效的数值模拟 ;电磁辐射信号主要来源于应力集中区 ,在场点监测到的电磁辐射信号主要是应力集中区煤岩变形破裂过程产生的 ;EME信号呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律 ;利用力电耦合方法研究煤岩冲击矿压电磁辐射预测法是可行的。笔者最后还对未来煤岩冲击矿压电磁辐射预测法的研究进行了展望。     

工作面动态推进下采空区煤自燃分布特征模拟

为了研究动态推进过程中工作面推进距离对采空区煤自燃分布特征的影响,采取及时有效的煤自燃防治措施,以13210综放面为工程背景,基于采空区渗透率分布公式和传热传质控制方程,建立采空区煤自燃数值解算模型。利用COMSOL软件模拟了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律,分析了高温区域与氧化带的叠加效应。通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟的准确性。研究结果表明:采空区渗透率随着工作面推进距离的增加而不断变化,近工作面端渗透率变化不大,而中深部采空区的渗透率不断减小;采空区氧化带分布随工作面推进距离的增加呈现阶段性变化特征,推进初期氧化带范围不断变化,推进后期氧化带范围趋于稳定;采空区氧化带分布与高温区域重叠深度随工作面推进不断增加,最终稳定于工作面后方60~70 m范围内。     

基于非线性渗流模型采空区漏风流场数值模拟

针对采空区非线性渗流模型中颗粒平均粒径的取值问题,利用专业的流体力学软件fluent对刘庄矿151305工作面采空区不同颗粒粒径下的漏风流场进行了模拟,以此确定合适的平均粒径,并利用该采空区颗粒平均粒径对工作面供风量及采空区漏风的影响进行了模拟与分析。结果表明,采空区内平均粒径的取值对工作面风量分布影响较大,瓦斯抽采负压也相差一个数量级;通过与实测工作面风量及实际的瓦斯抽采负压作对比,当采空区颗粒平均粒径取0.1 m时,模拟结果与现场实际最为吻合;工作面供风量越大,采空区的漏风量也越大,两者为二次函数关系。该研究方法为工作面采空区漏风流场数值模拟提供了理论指导。     

易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模拟

易自燃煤层采空区瓦斯和火灾综合防治是煤矿亟待解决的难题,基于多孔介质渗流理论,把采空区渗透系数以及瓦斯涌出源项看成随采空区位置变化的量。建立采空区气体流动的质量方程、动量方程、组分传输方程以及能量守恒方程,应用fluent软件模拟采空区在不同工作面供风量、不同抽放情况下采空区流场分布,得出工作面风量与氧化带宽度的拟合关系式。指出瓦斯抽放对采空区瓦斯浓度分布以及氧化带宽度影响比较显著;结合现场观测数据,表明数值模拟的可靠性。通过数值模拟,可以得出采空区不同瓦斯治理参数与氧化带宽度的对应关系,为煤矿采空区瓦斯和火灾合理防治提供依据。     

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。     

抽出式通风煤巷掘进过程中粉尘浓度分布规律的数值模拟

根据气固两相流理论，针对矿井掘进工作面的特点，采用计算流体力学的离散相模型（DPM）对掘进工作面通风过程中粉尘浓度进行数值模拟，总结抽出式通风掘进巷道中粉尘浓度的沿程分布及变化规律。